Alluxio与底层存储系统之间的元数据同步机制

前言

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Alluxio作为一套构建于底层存储系统之上的中间层，它必不可少的会涉及到于底层系统之间metadata之间的同步问题。外部client请求访问Alluxio系统，然后Alluxio再从底层系统中(为称呼方便，后面都简称为Underlying FileSystem, UFS)查询真实的元数据信息，然后再返回给client。当然为了减少对于UFS的压力，我们当然不会每次都去查UFS。本文我们来聊聊Alluxio内部对此元数据同步处理的设计实现，它是最大可能性做到元数据请求处理的高效性以及数据的精准性的。

Alluxio内部的元数据同步行为

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首先，这里我们需要想清楚一个基本的问题：作为一套构建于底层存储系统之上的Cache层，Alluxio内部会存在哪些元数据需要同步的情况。

从元数据同步的源头，目标来划分，总共为2类：

• 1）Alluxio内部metadata先修改，UFS后修改，此过程是从Alluxio到UFS的metadata同步。
• 2）UFS的metadata先被修改，Alluxio随后同步此修改，此过程则为从UFS到Alluxio的metadata同步。

在上述两种情形中，1）较之于2）来说同步控制更为简单一些，因为Alluxio本身作为外部请求的处理入口，它能第一时间知道请求的发生处理，然后它来自己控制后续如何做UFS底层存储系统的metadata同步。Alluxio率先更新为metadata后，对于外界来说，其元数据已经是最新状态的了。这时Alluxio可以选择灵活的策略来更新UFS中滞后的metadata了，比如它可以采用异步更新的方式或者强制同步更新的方式。归纳起来一句话，1)情况下元数据同步更新的主动权完全掌握在Alluxio系统这边。

想比较而言，元数据同步较为复杂的是第二种情况了：底层系统metadata发生改变（存在外部程序直接访问UFS导致metadata发生改变），又没有途径能够通知到Alluxio，而且Alluxio是外界请求访问的服务。

2）的情况如下图右半边图所示，1）则为下图左半图所示情形：

上面右半图显示的就是存在底层存储系统HDFS存在额外更新的情况，需要Alluxio去同步来自Hive这边的对HDFS的额外更新。

下面我们来看看Alluxio内部是如何解决上面这种棘手的情况的。

基于给定时间，Path粒度的UFS Status Cache

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既然说存在UFS元数据意外更新的情况，为了保证Alluxio对外数据服务的准确性，我们很容易想到一种极端的做法，就是准实时地去同步HDFS中的metadata。

说到准实时的同步UFS中的metadata，就会涉及到两大核心问题：

• 多久时间的同步，time interval是设定多少，时间过短会导致大量的RPC请求查询UFS，过长又会有数据延时性的问题。
• 同步多少量的metadata，一个目录？一个文件？

针对上面2个主要问题，Alluxio内部实现了一套基于给定时间，Path粒度的UFS Status Cache实现，架构图设计如下所示：

有人可能会对上图理解上有点疑惑，Alluxio本身作为Cache层，为什么还在内部又做了一层Cache？注意这里Cache的对象已经不一样了，上图Cache显示的是从UFS查询到的metadata信息。

上述步骤过程如下所述：

1）Client发起文件信息查询请求
2）Alluxio收到请求，检查其内部UFS Status Cache是否存在未过期(在cache更新时间间隔内)的对应的UFS Status，如果有则返回给Client。
3）如果没有，则发起请求到UFS，进行最新状态文件信息的查询，并加到UFS Status Cache中，同时更新此Path的Status的同步时间。

上图Alluxio内部角色介绍为：

• UfsSyncPathCache，此类用于记录那些被Cache了的Status的Path路径，此类存有各Path最近一次的metadata同步时间。
• UfsStatusCache， 此类cache了实际Path对应的metadata cache，此类同时cache了以及，path对应子文件status的映射关系。其中路径对应孩子文件信息的cache是为了加速目录级别的list查询。

以下是上面这2个类的定义说明：

/**
 * This cache maintains the Alluxio paths which have been synced with UFS.
 */
@ThreadSafe
public final class UfsSyncPathCache {
  private static final Logger LOG = LoggerFactory.getLogger(UfsSyncPathCache.class);

  /** Number of paths to cache. */
  private static final int MAX_PATHS =
      ServerConfiguration.getInt(PropertyKey.MASTER_UFS_PATH_CACHE_CAPACITY);

  /** Cache of paths which have been synced. */
  private final Cache<String, SyncTime> mCache;
...
}

/**
 * This class is a cache from an Alluxio namespace URI ({@link AlluxioURI}, i.e. /path/to/inode) to
 * UFS statuses.
 *
 * It also allows associating a path with child inodes, so that the statuses for a specific path can
 * be searched for later.
 */
@ThreadSafe
public class UfsStatusCache {
  private static final Logger LOG = LoggerFactory.getLogger(UfsStatusCache.class);

  private final ConcurrentHashMap<AlluxioURI, UfsStatus> mStatuses;
  private final ConcurrentHashMap<AlluxioURI, Future<Collection<UfsStatus>>> mActivePrefetchJobs;
  // path对应children list的ufs status cache
  private final ConcurrentHashMap<AlluxioURI, Collection<UfsStatus>> mChildren;
  private final ExecutorService mPrefetchExecutor;
...
}

我们知道存储系统在list大目录情况时的开销是比较大的，因此上面的children file list的cache可以在一定程度上提升请求的响应速度的。

这里主要来看Alluxio是如何做基于时间粒度的metadata cache的，相关代码逻辑如下：

UfsSyncPathCache.java类

  /**
   * The logic of shouldSyncPath need to consider the difference between file and directory,
   * with the variable isGetFileInfo we just process getFileInfo specially.
   *
   * There are three cases needed to address:
   * 1. the ancestor directories
   * 2. the direct parent directory
   * 3. the difference with file and directory
   *
   * @param path the path to check
   * @param intervalMs the sync interval, in ms
   * @param isGetFileInfo the operate is from getFileInfo or not
   * @return true if a sync should occur for the path and interval setting, false otherwise
   */
  public boolean shouldSyncPath(String path, long intervalMs, boolean isGetFileInfo) {
    if (intervalMs < 0) {
      // Never sync.
      return false;
    }
    if (intervalMs == 0) {
      // Always sync.
      return true;
    }

    // 1）从cache中取出给定path的最近一次的同步时间
    SyncTime lastSync = mCache.getIfPresent(path);
    // 2）判断是否同步时间已经超过过期间隔时间
    if (!shouldSyncInternal(lastSync, intervalMs, false)) {
      // Sync is not necessary for this path.
      return false;
    }

    int parentLevel = 0;
    String currPath = path;
    while (!currPath.equals(AlluxioURI.SEPARATOR)) {
      try {
        // 3）如果时间超出，则进行父目录的查找，判断父目录是否达到需要更新的时间
        currPath = PathUtils.getParent(currPath);
        parentLevel++;
        lastSync = mCache.getIfPresent(currPath);
        if (!shouldSyncInternal(lastSync, intervalMs, parentLevel > 1 || !isGetFileInfo)) {
          // Sync is not necessary because an ancestor was already recursively synced
          return false;
        }
      } catch (InvalidPathException e) {
        // this is not expected, but the sync should be triggered just in case.
        LOG.debug("Failed to get parent of ({}), for checking sync for ({})", currPath, path);
        return true;
      }
    }

    // trigger a sync, because a sync on the path (or an ancestor) was performed recently
    return true;
  }

如上如果需要进行metadata的sync操作，则会触发后续的ufs status的查询然后加到UfsStatusCache中。如果涉及到目录下的文件信息的查询，为了避免可能出现查询子文件数量很多，查询较慢的情况，alluxio做成了异步线程处理的方式。

UfsStatusCache.java

  /**
   * Submit a request to asynchronously fetch the statuses corresponding to a given directory.
   *
   * Retrieve any fetched statuses by calling {@link #fetchChildrenIfAbsent(AlluxioURI, MountTable)}
   * with the same Alluxio path.
   *
   * If no {@link ExecutorService} was provided to this object before instantiation, this method is
   * a no-op.
   *
   * @param path the path to prefetch
   * @param mountTable the Alluxio mount table
   * @return the future corresponding to the fetch task
   */
  @Nullable
  public Future<Collection<UfsStatus>> prefetchChildren(AlluxioURI path, MountTable mountTable) {
    if (mPrefetchExecutor == null) {
      return null;
    }
    try {
      Future<Collection<UfsStatus>> job =
          mPrefetchExecutor.submit(() -> getChildrenIfAbsent(path, mountTable));
      Future<Collection<UfsStatus>> prev = mActivePrefetchJobs.put(path, job);
      if (prev != null) {
        prev.cancel(true);
      }
      return job;
    } catch (RejectedExecutionException e) {
      LOG.debug("Failed to submit prefetch job for path {}", path, e);
      return null;
    }
  }

对于纯单个文件的查询请求，Alluxio采用了简单直接的办法，每次尝试做一次sync操作，如果cache在有效期内，则实际不会做实际metadata同步行为，然后从UFS cache中load metadata返回结果。

  @Override
  public FileInfo getFileInfo(AlluxioURI path, GetStatusContext context)
      throws FileDoesNotExistException, InvalidPathException, AccessControlException, IOException {
    Metrics.GET_FILE_INFO_OPS.inc();
    long opTimeMs = System.currentTimeMillis();
    try (RpcContext rpcContext = createRpcContext();
        FileSystemMasterAuditContext auditContext =
            createAuditContext("getFileInfo", path, null, null)) {
      
      // 执行sync metadata的操作，实际由cache interval时间控制
      if (syncMetadata(rpcContext, path, context.getOptions().getCommonOptions(),
          DescendantType.ONE, auditContext, LockedInodePath::getInodeOrNull,
          (inodePath, permChecker) -> permChecker.checkPermission(Mode.Bits.READ, inodePath),
          true)) {
        // If synced, do not load metadata.
        context.getOptions().setLoadMetadataType(LoadMetadataPType.NEVER);
      }
      LoadMetadataContext lmCtx = LoadMetadataContext.mergeFrom(
          LoadMetadataPOptions.newBuilder().setCreateAncestors(true).setCommonOptions(
              FileSystemMasterCommonPOptions.newBuilder()
                  .setTtl(context.getOptions().getCommonOptions().getTtl())
                  .setTtlAction(context.getOptions().getCommonOptions().getTtlAction())));
...
}

还有一种比较典型地需要load metadata的场景是文件或目录不存在于alluxio的情况。

以上就本文所要简单阐述的Alluxio与底层存储系统间元数据的同步方式，Alluxio本身作为底层存储cache层，在内部新维护了UFS的cache来做与底层UFS的status的同步。而且用户可以按照实际场景需要来设定这个cache需要同步的间隔时间。另外一方面，UFS status cache的引入也减少了list查询操作的代价，在这点上比client直接访问底层存储系统做大目录list要高效不少。

引用

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[1].https://dzone.com/articles/two-ways-to-keep-files-in-sync-between-alluxio-and